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第1章绪论
1.1三极管的发明
1947年12月23日,美国新泽西州墨累山的贝尔实验室里,3位科学家——巴丁博士、布菜顿博士和肖克莱博士在紧张而又有条不紊地做着实验。
他们在导体电路中正在进行用半导体晶体把声音信号放大的实验。
3位科学家惊奇地发现,在他们发明的器件中通过的一部分微量电流,竟然可以控制另一部分流过的大得多的电流,因而产生了放大效应。
这个器件,就是在科技史上具有划时代意义的成果——晶体管。
因它是在圣诞节前夕发明的,而且对人们未来的生活发生如此巨大的影响,所以被称为“献给世界的圣诞节礼物”。
晶体管促进并带来了“固态革命”,进而推动了全球范围内的半导体电子工业。
作为主要部件,它及时、普遍地首先在通讯工具方面得到应用,并产生了巨大的经济效益。
由于晶体管彻底改变了电子线路的结构,集成电路以及大规模集成电路应运而生,这样制造像高速电子计算机之类的高精密装置就变成了现实。
1.2晶体三极管β值简述
晶体三极管(以下简称三极管)按材料分有两种:
锗管和硅管。
而每一种又有NPN和PNP两种结构形式,但使用最多的是硅NPN和锗PNP两种三极管,两者除了电源极性不同外,其工作原理都是相同的,下面仅介绍NPN硅管的电流放大原理。
对于NPN管,它是由2块N型半导体中间夹着一块P型半导体所组成,发射区与基区之间形成的PN结称为发射结,而集电区与基区形成的PN结称为集电结,三条引线分别称为发射极e、基极b和集电极c。
当b点电位高于e点电位零点几伏时,发射结处于正偏状态,而C点电位高于b点电位几伏时,集电结处于反偏状态,集电极电源Ec要高于基极电源Ebo。
在制造三极管时,有意识地使发射区的多数载流子浓度大于基区的,同时基区做得很薄,而且,要严格控制杂质含量,这样,一旦接通电源后,由于发射结正偏,发射区的多数载流子(电子)极基区的多数载流子(空穴)很容易地越过发射结互相向对方扩散,但因前者的浓度基大于后者,所以通过发射结的电流基本上是电子流,这股电子流称为发射极电流了。
由于基区很薄,加上集电结的反偏,注入基区的电子大部分越过集电结进入集电区而形成集电集电流Ic,只剩下很少(1-10%)的电子在基区的空穴进行复合,被复合掉的基区空穴由基极电源Eb重新补给,从而形成了基极电流Ibo.根据电流连续性原理得:
Ie=Ib+Ic
这就是说,在基极补充一个很小的Ib,就可以在集电极上得到一个较大的Ic,这就是所谓电流放大作用,Ic与Ib是维持一定的比例关系,即:
β1=Ic/Ib
式中:
β1--称为直流放大倍数,
集电极电流的变化量△Ic与基极电流的变化量△Ib之比为:
β=△Ic/△Ib
式中β--称为交流电流放大倍数,由于低频时β1和β的数值相差不大,所以有时为了方便起见,对两者不作严格区分,β值约为几十至一百多。
1.3设计思路与方向
设计电路测量三极管β值,将三极管β值转换为其他可用仪器测量的物理量来进行测量,但在实际使用中常常利用三极管的电流放大作用,通过电阻转变为电压放大作用,根据三极管电流IC=βIB的关系,当IB为固定值时,IC反映了β的变化,电阻Rc上的电压VRC又反映了Ic的变化,对VRC进行伏频转换,转换后的频率f就反映了β值的大小,然后再用计数器对f的信号进行一定时间的计数,最后通过计数器的保持输出经译码电路就可以显示出β值。
第2章设计方案
2.1设计方案电路图
图2-1设计方案电路图
如图2-1,T1、T2、R1、R3构成微电流源电路,R2是被测管T3的基极电流取样电阻,R4是集电极电流取样电阻。
由运放构成的差动放大电路,实现电压取样及隔离放大作用。
根据三级管电流Ic=βIb的关系,当Ib为固定值时,Ic随着β变化而变化,电阻Rc上的电压VRC正好反映了Ic的变化,所以,我们对VRC取样加入后缀,进行分档比较。
从而实现目的。
该电路用微电流为基极取样电阻提供稳恒的电流,这样便于测量β值。
2.2模块结构与方框图
图2-2模块结构和方块图
2.3基本工作原理
2.3.1差分转换电路
通过一恒流源,加在被测三极管的基极,再在基极和集电极上分别加一采样电阻,在集电极电阻上加一差动放大电路求出该采样电阻两端的电压,输出为V1,这样使三极管的放大倍数β转化为电压V1,关系为V1=βIbR4,这样实现了β与V转换。
2.3.2伏频转化电路
V1通过压控振荡器LM331,使电压信号转变为频率信号,记输出信号为V0。
选择适当的参数可以使该频率与三极管放大倍数β与发出的频率F相等。
该频率为F=K*V1=KβIBR4,令β=F,则可以算数KIBR4=1。
其中,K与RS、RL、CT、RT有关。
设置适当的标称值就可以实现要求。
接下来是控制计数电路。
2.3.3控制计时电路
用NE555组成的单稳态电路,当有高电平时,可产生一个持续时间为1秒的高电平V2。
2.3.4计数电路
V2加在第一片计数器CD4815的CPIA'端上,V0加在CP0A上,故当1秒的高电平V2来临时,实现的是计数器在BCD模式下十进制计数,当1秒的低电平V2变为高电平时,此时为保持状态,用于显示。
由于CD4518是双的BCD码计数器,故可将其中一个计数器的最高位不妨假定为1Q4接在另一个计数器的脉冲输入端CP0B端,CP1B'接CP1A这样一片CD4518就可以实现一个BCD码的百位计数器。
2Q4可接在另一片CD4518上,实现十位计数。
控制端与第一片相同。
2.3.5译码与显示电路
CD4518的输出端直接接在CD4511的四个端口上,注意个位对个位,十位对十位,百位不需要译码,只有两种状态“1”或“0”,故可直接接在数码管的B,C端,即可实现译码的功能。
最高位只有不显示以及1这个状态,故不需要CD4511译码。
CD4511的控制信号要接正确,所有的控制信号都应该接高电平。
第3章电路设计与器件选择
3.1功能模块一(微电流源电路,差动放大电路和转换电路)
3.1.1模块电路及参数计算
图3-1微电流源示意图
以上电路包含了一个微电流源。
T1与T2性能匹配,为PNP三极管
IB的选择应在30μA--40μA之间为宜,因为:
(1)β值与Ic有关
(2)小功率管的β值在Ic=2--3mA时较大,而在截止与饱和区较小,测量不准确。
因此,取输出电流Io=30μA
应为参考电流Ir约为1mA左右,则,由
Ir=Vcc-Vbe1
R(3-1)
Io=Vbe1-Vbe2(3-2)
Re2
已知Vbe1=0.7V得:
R1=4.3K,取R1=3.3K
为了使差动放大电路起到隔离放大的作用,R5--R8应尽量取大一点,这里取R5=R6=R7=R830K。
综上所述:
R1=3.3KR2=20KR3=3.3KR4=220K
R5=R6=R7=R8=30K
图3-2总体设计方案电路图
3.1.2工作原理和功能说明
其中包含微电流源(提供恒定电流)和差动放大电路(电压取样及隔离放大作用)。
将变化的三极管β值转化为与之成正比关系变化的电压量,再取样进行比较,分档。
上述转换过程可由以下方案实现:
根据三极管电流Ic=βIb的关系,当Ib为固定值时,Ib反映了β的变化,电阻Rc上的电压Vrc又反映了Ic的变化,对Vrc取样加入后缀进行分档比较。
为了取得固定Ib,采用微电流源电路提供恒定电流。
有些情况下,要求得到极其小的输出电流(如三极管基极电流就比较小),这时可令比例电流源中的Re1=0,便成了微电流源电路,即图3-1。
根据电路原理分析得:
Ir=Vcc-Vbe1
R(3-3)
Io=Vbe1-Vbe2(3-4)
Re2
由此可知:
只要确定Io和Re2就能确定Ir,由此可以确定电阻R的值。
根据三极管电流Ic=βIb的关系,被测物理量β转化成集电极电流Ic,两集电极电阻不变,利用差动放大电路对被测三极管集电极上的电压进行采样,差动放大电路原理如下:
图3-4差动放大电路图
根据理想运放线性工作状态的特性,利用叠加原理可求得:
取电路参数:
R1=R2=R3=Rf
Vo=Vi-Vi1
可见,输出电压值等于两输入电压值相减之差,实现相减功能。
其中运算放大器采用集成电路LM311。
综合上述得出转换电路的电路图如下:
图3-5转换电路
电路说明:
T1、T2、R1、R3构成微电流源电路提供恒定电流,R2是被测管T3的基极电流取样电阻,用于检测基极电流的大小,R4是集电极电流取样电阻,用于检测集电极电流的大小同时检测出被测三极管β值的大小,由运放构成的差动放大电路,实现电压采样及隔离放大作用,为电压比较电路提供采样电压。
器件说明,LM311采用单电源供电,其内部只由一个运算放大器构成。
其封装及内部结构如下所示:
图3-6LM311封装及内部结构图
3.2功能模块二(伏频转换电路)
3.2.1模块电路及参数计算
LM331实现电压与频率的转换。
F=K*V1=KβIBR4,K=RS/(2.09RTCTRL).可令F=β,则计算器恰好在1S内记下所有脉冲数。
通过计算拼凑可以得出RS=4.7K,RT=RV=10K,RL=150K,CT=0.01μf,CL=1μF,C2=0.01μF。
3.2.2工作原理和功能说明
采用LM331芯片实现电压与频率的转换,使电压转换为可以用计数器计数的脉冲信号。
器件说明:
LM331其封装结构如下所示
图3-7LM331引脚排列图
输入电压信号,输出有脉冲,可以一一定的关系实现电压与频率的转换。
供电电压为+5V。
3.3功能模块三(控制计时电路)
3.3.1工作原理和功能说明
把NE555接成单稳态电路,利用触发后产生的持续高电平来控制计数器计时,根据设计的思路,要产生1S的持续高电平。
器件说明NE555,其封装图如下:
图3-8NE555引脚排列图
所接正电源为5V
3.3.2参数计算:
要实现计数1S即TW=1.1R9C1=1S,故可求得R9=90K,C1=10μF。
3.4功能模块四(计数模块)
3.4.1模块电路及参数计算
说明:
每个时钟周期计数器,技术一次。
由于是计数一秒,故根据前面的关系,计数器最终的数值就是所要测的β值。
3.4.2工作原理和功能说明
V2加在第一片计数器CD4815的CPIA'端上,V0加在CP0A上,故当1秒的高电平V2来临时,实现的是计数器在BCD模式下十进制计数,当1秒的低电平V2变为高电平时,此时为保持状态,用于显示。
由于CD4518是双的BCD码计数器,故可将其中一个计数器的最高位不妨假定为1Q4接在另一个计数器的脉冲输入端CP0B端,CP1B'接CP1A这样一片CD4518就可以实现一个BCD码的百位计数器。
2Q4可接在另一片CD4518上,实现十位计数。
控制端与第一片相同。
器件说明:
CD4518的功能表与封装图如下
图3-9CD4518的功能表与封装图
3.5功能模块五(译码与显示电路)
CD4511封装图如下:
图3-10CD4511封装图
其中:
A,B,C,D为数据输入端,LT、BL、LE为控制端。
a--g为输出端,其输出电平可直接驱动其共阴数码管进行0--9的显示。
CD4511真值表:
表3-1CD4511真值表
3.5.1工作原理和功能说明
显示用共阴数码管,由于LED显示器由共阳极和共阴极两种结构,故所对应的显示译码器也不同,使用共阳极数码管时,公共阳极接电源电压,七个阴极a--g由相应的BCD-七段译码器的输出来驱动。
对共阴极数码管开说,则为共阴极接地,相应的BCD-七段译码器的输出驱动a--g各阳极。
若数码管为共阴,则选用输出为高电平有效的显示译码器。
若数码管为共阳,则选用输出为低电平有效的显示译码器。
因此,八段LED显示管与BCD--八段LED数码显示管的连接方式如下:
CD4511的13脚(A)接数码显示管的7脚;
CD4511的12脚(B)接数码显示管的6脚;
CD4511的11脚(C)接数码显示管的4脚;
CD4511的10脚(D)接数码显示管的2脚;
CD4511的9脚(E)接数码显示管的1脚;
CD4511的15脚(F)接数码显示管的9脚;
CD4511的14脚(G)接数码显示管的10脚;
器件说明:
共阴数码管的管脚图如下所示,a--g端可直接与CD4511的Qa--Qg端相连。
图3-11共阴数码管管脚图
LED数码显示管有两种形式:
第一种是8飞发光二极管的样机连在一起的,为共阳极LED显示器,另一种是8个发光二极管的阴极连在一起的,为共阴极LED显示器,其示意图如下:
图3-12LED显示器示意图
第4章安装与调式
4.1电路安装
按整机电路图连接电路,根据以上介绍的电路模块顺序连接,各种仪器和电子元器件分别对应接入电路中。
4.2电路调试
4.2.1调试步骤及测量数据
转换电路的静态电压测试:
按照前面模块设计,在无外信号输入,被测管不工作,取样电阻上无压降得条件下,运放是否保持静态平衡。
各级功能调试:
按照方框图模块,检测逐个模块是否达到设计的预定效果。
(1)转换电路:
A、检测基极取样电阻的电流大小是否正确(测R2电压是否正常VR2=R2*IO=3V,从而确定基极电流大小约在30μA--40μA内);
B、检测R4两端的电压和输出电压是否一样。
(2)电压比较电路
A、各电压是否正确
B、运放LM324运作正常
(3)伏频转换电路
测一下输入电压以及LM331输出的频率
(4)编码、译码、显示电路
主要检查接线是否连接正确,以及芯片相关管脚高低电平(高电平为1,低电平为0)是否正确,显示数字是否与万用表测量的吻合。
(5)整机调试
当逐级调试完成,各部分正常后,就进行整机联试了。
检查该部分是否正常工作主要看——被测三极管的档次是否能正确显示。
4.2.2故障分析及处理
一开始电路什么都不显示,按老师的方法就去先检查电源,测得电源电压正常,但是电路板上接地端电压不为零,当把电路板上的所有接地的线路与电源的接地端相连时,电路即能正常工作。
结论
由于本方案用的是分立元件来达到要求的指标,所以原件比较多,线路也比较复杂,加上布板要美观,在板上连接元件时就要小心谨慎,以免出错,特别应注意电路一定要有层次感,自己怎样连接的心里要有数,因为试验不可能一次就能成功,否则,如果出错,检查起来要费很大的功夫。
而最后调试过程中,最大的故障是无论怎样测三极管,数码管都是不显示,然后按老师的放就先检查电源,测得电源电压正常,但是面包板上接地端的电压不为零,当把面包板上的所有接地的线路与电源的接地端相连时,电路即能正常工作。
在完成相关设计和制作后,用本测量仪测出的β值为146,用数字万用表测出的β值为148,我们假设数字万用表测出的值为真实值,则实际值不真实,其值小2,在设计的过程当中由于计数的时间不够1S,为了用到标准的电阻,计数时间为Tw=1.1R9C1=0.99S,所以说,绝对误差在意料之中,可以认为用本仪器测出的数值是准确的!
致谢
在这里我要特别感谢我的指导老师陈树海,在选题初期,我觉得这个题目很难完成,也很难找到突破口。
但是老师再三鼓励我不要畏惧,要有信心,最后在老师的指导下开始着手进行设计。
经过陈树海老师的讲解后,就觉得凭自己的模电和数电知识完全能完成设计。
大致的思路老师已经有了提示,在根据实验室所提供的器件,几经周折,顺藤摸瓜的找到了设计思路。
接下来我要做的就是把它细化,具体化,画出整个电路图。
计算各个元件的参数值。
通过这次毕业论文的设计,重拾模电知识,发现自己对模电知识已经忘了不少,只能再拿出课本来翻,不过也因此学到不少知识,让自己学到的东西联系实际,提高理论应用能力,锻炼了动手能力。
更重要的是通过这次设计,了解到了其实做项目,做工程设计不是很困难,要大胆的尝试,不要缩手缩脚,任何一个项目都可以划分成若干个模块,然后再通过控制电路把这些电路连接起来,反复的调试就能成功。
也许你对要设计的项目感到头疼,但分成自己熟悉的模块后,你就会发现其实很简单,你就会发现自己认为不能做大的事情已经成功了,已经能用了。
最后,感谢陈树海老师对我本次毕业论文设计上的帮助和指导,是他让学会了更多的知识,懂得了如何使用化整为零,各个击破的思想去解决难题。
参考文献
[1]周渭.【测试与计量技术基础】[M].西安电子科技大学出版社
[2]高贇.【电路】[M].西安电子科技大学出版社
[3]孔凡东【电路基础】[M].西安电子科技大学出版社
[4]张永瑞【电路分析基础】[M].西安电子科技大学出版社
[5]钱聪【模拟电子技术】[M].西安电子科技大学出版社
[6]王朱劳【模拟电子技术及应用】[M].西安电子科技大学出版社
[7]将卓勤【数字电子技术】[M].西安电子科技大学出版社
[8]张双琦【数字电子技术及应用】[M].西安电子科技大学出版社
[9]钟苏【高频电子技术】[M].西安电子科技大学出版社
[10](日)饭高成男【晶体管电路】[M].科学出版社
[11]凯根【薄膜晶体管(TFT)及其在平板显示中的应用】[M].电子工业出版社
[12]本书编写组编【新型三极管速查手册(下册)】[M].人民邮电出版社
[13]三级管手册编译组【三极管手册】[M].福建科学技术出版社
[14]林吉申【国内外三极管特性参数与互换速查手册】[M].国防工业出版社
[15]任致程【经典晶体管电子线路300例】[M].机械工业出版社
[16]刘永等【晶体管原理】[M].国防工业出版社
[17]杨崇志【新编晶体管实用手册】[M].辽宁科学技术出版社
[18]蒋铃鸽【图解晶体管电路】[M].科学出版社
附录元件清单
元器件名称
元件标称值或型号
电阻
220Ω×1,330Ω×6,3.3KΩ×2,4.7KΩ×1
10KΩ×1,30KΩ×4,90KΩ×1,150KΩ×1
三极管
9012×2,NPN型的三极管各一个
集成电路
LM324×1,LM331×1,NE555×1,CD4511×2,CD4518×3
电容
CT=0.01μF,CL=1μF,C1=10μF.C2=0.01μF
显示器
共阴数码显示管×3
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